Automatika Klasszikus Szabályozás elmélet I. Áttekintés Óbudai Egyetem Dr. Neszveda József.

Az előadások a következő témára: "Automatika Klasszikus Szabályozás elmélet I. Áttekintés Óbudai Egyetem Dr. Neszveda József."— Előadás másolata:

1 Automatika Klasszikus Szabályozás elmélet I. Áttekintés Óbudai Egyetem Dr. Neszveda József

2 Automatika Az automatizálás célja gép, együttműködő gépcsoport, berendezés, eszköz, műszer, részegység balesetmentes működtetése úgy, hogy biztosítsa az egyenletes minőséget és ennek dokumentálhatóságát. A minél kevesebb emberi beavatkozás csak másodlagos cél.

3 Automatika mérnöki területei a készüléktervezésben Irányító egység hardver kiválasztása, tervezése Irányító egység hardver kiválasztása, tervezése Illesztő elektronika tervezése Illesztő elektronika tervezése Tápellátás tervezése Tápellátás tervezése Irányítástechnika Irányítástechnika Szakaszmodell, irányító algoritmus, megjelenítés, stb. Szakaszmodell, irányító algoritmus, megjelenítés, stb. EMC tanúsítvány és egyéb hatósági engedélyezések EMC tanúsítvány és egyéb hatósági engedélyezések Kábelezés, burkolat, illetve IP szám, klíma, stb. Kábelezés, burkolat, illetve IP szám, klíma, stb. SIL méretezés és számítás, ha kell. SIL méretezés és számítás, ha kell.

4 Automatika mérnöki területei a folyamatirányításban Folyamatműszerezés Folyamatműszerezés Energia elosztás és környezetvédelem Energia elosztás és környezetvédelem Hajtásszabályozás Hajtásszabályozás Irányítástechnika Irányítástechnika Folyamatmodell, irányító algoritmus, megjelenítés, stb. Folyamatmodell, irányító algoritmus, megjelenítés, stb. Karbantartás menedzsment Karbantartás menedzsment Ipari kommunikációs hálózatok Ipari kommunikációs hálózatok Vész, védelmi rendszerek Vész, védelmi rendszerek

5 Irányítástechnika területei Folyamatszabályozás (Process Control) Folyamatszabályozás (Process Control) Folytonos és batch Folytonos és batch Gyártásautomatizálás (Manufacturing) Gyártásautomatizálás (Manufacturing) Gyártócellák, logisztika, stb. Gyártócellák, logisztika, stb. Installációs rendszerek (Installation) Installációs rendszerek (Installation) Épületautomatizálás, világítástechnika, stb. Épületautomatizálás, világítástechnika, stb.

6 Irányítástechnika mérnöki feladatai Az irányított berendezés (gép, …) statikus és dinamikus modelljének megalkotása. Az irányított berendezés (gép, …) statikus és dinamikus modelljének megalkotása. Fekete doboz modell, szürke doboz modell. Fekete doboz modell, szürke doboz modell. A mérés és a beavatkozás eszközeinek kiválasztása, valamint illesztése az irányított és a módosító jellemzőkhöz. A mérés és a beavatkozás eszközeinek kiválasztása, valamint illesztése az irányított és a módosító jellemzőkhöz. Az irányítási stratégia megválasztása. Az irányítási stratégia megválasztása. Az irányító berendezés hardver kialakítása. Az irányító berendezés hardver kialakítása. Az irányítási stratégia le-, és a beavatkozás és mérés eszközeinek fel-programozása. Az irányítási stratégia le-, és a beavatkozás és mérés eszközeinek fel-programozása.

7 Gép, gépcsoport (technológia) IttB BB TT IB OP Anyag, és/vagy energia, esetleg információ AlapirányításVész, védelem

8 A mérés és beavatkozás elvei, eszközei A Neszveda József „Automatizálás eszközei” BMF KVK 2054 jegyzet tárgyalja a mérés és beavatkozás legfontosabb elveit és eszközeit. A Neszveda József „Automatizálás eszközei” BMF KVK 2054 jegyzet tárgyalja a mérés és beavatkozás legfontosabb elveit és eszközeit.

9 A jelek és jellemzők Jellemzők A fizikai valóság (nyomás, áramlás, hőmérséklet, szint, fordulatszám, elmozdulás, stb.). Fontos az értelmezési tartomány. Jellemzők A fizikai valóság (nyomás, áramlás, hőmérséklet, szint, fordulatszám, elmozdulás, stb.). Fontos az értelmezési tartomány. Jel Jól kezelhető fizikai érték (áram, feszültség, vagy frekvencia, illetve nyomás). Információt hordoz. Az értelmezési tartományt szabvány írja elő. Jel Jól kezelhető fizikai érték (áram, feszültség, vagy frekvencia, illetve nyomás). Információt hordoz. Az értelmezési tartományt szabvány írja elő.

10 Szabványos ipari jeltartományok Analóg Leggyakoribb 4 – 20 mA, valamint 0 – 20 mA Előfordul 0 – 10 V DC, 400 – 800 Hz, 0.2 – 2 Bar Analóg Leggyakoribb 4 – 20 mA, valamint 0 – 20 mA Előfordul 0 – 10 V DC, 400 – 800 Hz, 0.2 – 2 Bar Kétállapotú Leggyakoribb 0 – 24 V DC (0 – 7 V: Logikai nulla, 14 – 30 V: Logikai 1) Előfordul 0 – 230 V AC Kétállapotú Leggyakoribb 0 – 24 V DC (0 – 7 V: Logikai nulla, 14 – 30 V: Logikai 1) Előfordul 0 – 230 V AC Digitális Ipari kommunikációs hálózatok Digitális Ipari kommunikációs hálózatok

11 Jelek, jellemzők illesztése U max U mix Y Mmax Y Mmix Y max Y mix U Mmax U Mmix A/DD/A

12 Modell alkotás Az összetett irányítási feladatot fel kell bontani egyszerűbb, egymástól független feladatokra. Lehetőleg minden egyes irányított jellemző önálló feladat legyen! (Ez nem mindig lehetséges., de e tárgy keretében csak ezt tárgyaljuk) Az összetett irányítási feladatot fel kell bontani egyszerűbb, egymástól független feladatokra. Lehetőleg minden egyes irányított jellemző önálló feladat legyen! (Ez nem mindig lehetséges., de e tárgy keretében csak ezt tárgyaljuk) Mérésekkel (black box = fekete doboz modell), vagy az anyag és energia áramok egyensúlyi egyenleteit alkalmazva (grey box = szürke doboz modell) matematikai modellt kell készíteni az irányítási feladatokra. (A matematikai modell válasza a gerjesztő jelekre az előírt mérnöki pontossággal megegyezik fizikai rendszer viselkedésével.) Mérésekkel (black box = fekete doboz modell), vagy az anyag és energia áramok egyensúlyi egyenleteit alkalmazva (grey box = szürke doboz modell) matematikai modellt kell készíteni az irányítási feladatokra. (A matematikai modell válasza a gerjesztő jelekre az előírt mérnöki pontossággal megegyezik fizikai rendszer viselkedésével.)

13 Irányítási stratégia Vezérlés Minden az irányított jellemzőre ható fizikai mennyiséget (jellemzőt) mérünk. Minden lehetséges körülmény esetén kielégítően pontos a modellünk. A beavatkozás a modell alapján történik. Vezérlés Minden az irányított jellemzőre ható fizikai mennyiséget (jellemzőt) mérünk. Minden lehetséges körülmény esetén kielégítően pontos a modellünk. A beavatkozás a modell alapján történik. Szabályozás Az irányított jellemzőt mérjük és a többi az irányított jellemzőre ható fizikai mennyiség eltérését az üzemi értéktől zavarnak tekintünk. Az irányított jellemzőt hasonlítjuk össze az előírt értékkel. A beavatkozás az eltérés megszüntetése érdekében történik. Szabályozás Az irányított jellemzőt mérjük és a többi az irányított jellemzőre ható fizikai mennyiség eltérését az üzemi értéktől zavarnak tekintünk. Az irányított jellemzőt hasonlítjuk össze az előírt értékkel. A beavatkozás az eltérés megszüntetése érdekében történik.

14 Stratégia választás Ha van kielégítő pontosságú modell, akkor alkalmazható a vezérlés. Ha van kielégítő pontosságú modell, akkor alkalmazható a vezérlés. Ha a szakasz modellezhető csupa kétállapotú jellel, akkor mindig alkalmazható vezérlés. Lehet analóg jellemző (nyomás, szint, stb.), ha a modellhez elég csak azt tudni, hogy egy értéknél kisebb vagy nagyobb. Ha a szakasz modellezhető csupa kétállapotú jellel, akkor mindig alkalmazható vezérlés. Lehet analóg jellemző (nyomás, szint, stb.), ha a modellhez elég csak azt tudni, hogy egy értéknél kisebb vagy nagyobb. Analóg jeleket tartalmazó irányítást vezérléssel megoldani általában költséges. Az analóg mérés drágább, mint a kétállapotú, általában egynél több jellemzőt kell mérni, és idővel (kopás, öregedés, évszakok váltakozása, stb.) a rendszer modell paraméterei megváltoznak. Analóg jeleket tartalmazó irányítást vezérléssel megoldani általában költséges. Az analóg mérés drágább, mint a kétállapotú, általában egynél több jellemzőt kell mérni, és idővel (kopás, öregedés, évszakok váltakozása, stb.) a rendszer modell paraméterei megváltoznak.

15 Vezérlés kétállapotú jelekkel A Bool algebra szabályaival definiálható az algoritmus. A Bool algebra szabályaival definiálható az algoritmus. Az algoritmus zárt szekvenciákból épül fel. If…than else, Do…until, stb. A fejlesztő szoftverek gyakran felkínálnak grafikus megjelenítő felületeket, valamint kész, jól tesztelt szubrutinokat (funkció blokkok, függvények). Az algoritmus zárt szekvenciákból épül fel. If…than else, Do…until, stb. A fejlesztő szoftverek gyakran felkínálnak grafikus megjelenítő felületeket, valamint kész, jól tesztelt szubrutinokat (funkció blokkok, függvények). Berendezéscsoport, technológia irányításakor a feladatok nagyobb hányada On/Off vezérlés. Iparágtól függően az összes feladat 75 -95% On/Off vezérlés. A vész rendszer mindig, a védelmi rendszer szinte mindig csupa kétállapotú vezérlés. Az indítás, üzemeltetés, normál leállás folyamata tipikus sorrendi vezérlés. Berendezéscsoport, technológia irányításakor a feladatok nagyobb hányada On/Off vezérlés. Iparágtól függően az összes feladat 75 -95% On/Off vezérlés. A vész rendszer mindig, a védelmi rendszer szinte mindig csupa kétállapotú vezérlés. Az indítás, üzemeltetés, normál leállás folyamata tipikus sorrendi vezérlés.

16 Szabályozás A SISO ( Single Input Single Output ) feedback ( negatívan visszacsatolt ) struktúra lefedi a szabályozási feladatok döntő hányadát. A SISO ( Single Input Single Output ) feedback ( negatívan visszacsatolt ) struktúra lefedi a szabályozási feladatok döntő hányadát. Összetett ( Cascade, Feedforward ) szabályozások. Iparágtól függően a szabályozási feladatok 1 – 7%-a. Összetett ( Cascade, Feedforward ) szabályozások. Iparágtól függően a szabályozási feladatok 1 – 7%-a. A MIMO ( Multi Input Multi Output ) és a adaptív ( öntanuló ) struktúra. Tipikus MIMO alkalmazás a repülő gép vagy tankerhajó navigáció és a festő, hegesztő, stb. robot irányítás, illetve adaptív szabályozás a folyamatirányítás ( Process Control ) szabályozási feladatainak 1 – 2%-a. A MIMO ( Multi Input Multi Output ) és a adaptív ( öntanuló ) struktúra. Tipikus MIMO alkalmazás a repülő gép vagy tankerhajó navigáció és a festő, hegesztő, stb. robot irányítás, illetve adaptív szabályozás a folyamatirányítás ( Process Control ) szabályozási feladatainak 1 – 2%-a.

17 A jelátvivő tag Az irányítástechnika jelátvivő tagként vizsgál minden olyan alkatrészt (pl.: műveleti erősítő, szelep, stb.), szervet (pl.: jelillesztő áramkör, szivattyú, nyomás-, szint-távadó, stb.), illetve technológiai egységet (pl.: tartály, hőcserélő, autokláv, kazán, stb.), amelyeknek egy számunkra fontos jele, jellemzője (kimeneti jel, jellemző) jól befolyásolható egy számunkra könnyen változtatható jellemzőjével, jelével (bemeneti jel, jellemző).

18 Blokk diagram modell A jelátvivő tag egy bemenetű egy kimenetű téglalap alakú szimbólum. A be-, és kimenet közötti kapcsolat a téglalap belsejébe írható. A jelátvivő tag egy bemenetű egy kimenetű téglalap alakú szimbólum. A be-, és kimenet közötti kapcsolat a téglalap belsejébe írható. Szükség van még összegző és elágazási pontokra, valamint hatásvonalakra. Szükség van még összegző és elágazási pontokra, valamint hatásvonalakra. Jelfolyam ábra Ez egy gráf, aminek a. Ez egy gráf, aminek a csomópontjai a jelek vagy jellemzők. A. Az élei mellé vagy az élre tett dobozba írható a gerjesztő és gerjesztett jel közötti kapcsolat.

19 Klasszikus szabályozáselmélet A blokk diagram modellt alkalmazza, aminek előnye, hogy jól illeszkedik az irányítás szerkezeti felépítéséhez. A blokk diagram modellt alkalmazza, aminek előnye, hogy jól illeszkedik az irányítás szerkezeti felépítéséhez. Magasabb rendű differenciál egyenleteket is alkalmazz. Magasabb rendű differenciál egyenleteket is alkalmazz. A SISO rendszerek méretezése szemléletesen és hatékonyan végezhető. A SISO rendszerek méretezése szemléletesen és hatékonyan végezhető. Attól modern, hogy számító gép kell hozzá, a matematikai alapok és az elmélet kidolgozása egyidős a klasszikuséval. Attól modern, hogy számító gép kell hozzá, a matematikai alapok és az elmélet kidolgozása egyidős a klasszikuséval. Jelfolyam ábrát alkalmaz, aminek előnye, hogy jól illeszkedik az állapotteres leírási módhoz. Jelfolyam ábrát alkalmaz, aminek előnye, hogy jól illeszkedik az állapotteres leírási módhoz. A MIMO rendszerek tárgyalása ezzel sukkal hatékonyabb. A MIMO rendszerek tárgyalása ezzel sukkal hatékonyabb. Az adaptív rendszerek csak így tárgyalhatók. Az adaptív rendszerek csak így tárgyalhatók. Modern szabályozáselmélet

20 Tartály segédberendezésekkel Qbe tartályszint szelep Nyomás különbség Szakasz tartályszint h Qbe Qki Nyomás különbség Eltérés az üzemi értéktől A blokk mindig egy bemenetű és egy kimenetű. Ha több jel van, akkor összegzőt alkalmazzunk. A „fekete doboz” modellel méréssel határozzuk meg a kapcsolatot a szint és a be- és kiáramlás között. A be és egy kimenetek legyenek dimenzió nélküliek Qki

21 Elektromos áramkör U1U1 U2U2 I1I1 I2I2 I3I3 A B Valamennyi ellenállásnak és kapacitásnak van konkrét értéke. Az „A” pont virtuális föld! Ez úgynevezett „szürke doboz” modell U2U2 U1U1 I1I1 I2I2 I3I3 U1U1 I1I1 U2U2 I2I2 U2U2 I3I3 Szürke modell (egyszerűsített)

22 DC motor modellezése M armatúra nyomaték  Szög elfordulás T a armatúra nyomaték T f súrlodási nyomaték T L teher nyomatéka I a armatúra áram R a armatúra ellenállás L a armatúra induktivítás K e emf tényező K a motor nyomaték konstans C forgás csillapítás tényező Az armatúra feszültséggel szembe a forgással generált feszültség (emf) Szürke modell (egyszerűsített)

23 Szimuláció MATLAB – bal Könnyen átírható jelfolyam ábra alakra

24 Kérdések Mikor alkalmazható vezérlés? Mi a szabályozás elve? Mi a modellalkotás menete és mi a különbség a szürke és a fekete doboz modell között? Mikor alkalmazható vezérlés? Mi a szabályozás elve? Mi a modellalkotás menete és mi a különbség a szürke és a fekete doboz modell között? Mit nevezünk jelnek és mit jellemzőnek. Melyek az iparban leggyakrabban alkalmazott szabványos jeltartományok? Hogyan tesszük dimenzió nélkülivé a jeleket, jellemzőket? Mit nevezünk jelnek és mit jellemzőnek. Melyek az iparban leggyakrabban alkalmazott szabványos jeltartományok? Hogyan tesszük dimenzió nélkülivé a jeleket, jellemzőket? Mi az automatizálás célja? Mi a jelátvivő tag? Melyek a blokk diagram modell grafikus elemei? Mi a blokk diagram előnye és mik a korlátai? Mi az automatizálás célja? Mi a jelátvivő tag? Melyek a blokk diagram modell grafikus elemei? Mi a blokk diagram előnye és mik a korlátai?